Биосинтез гемоглобина осуществляется путем синхронной продукции гема и глобиновых цепей в эритроидных клетках костного мозга и их сочетания с образованием законченной молекулы.
Синтез полипептидных цепей, входящих в состав глобина, происходит под контролем структурных и регуляторных генов. Полагают , что структурные локусы, определяющие синтез α-цепей в течении всей жизни человека (эмбриональной и постнатальной) находится в одной паре хромосом. Структурные локусы, детерминирующие синтез β- и δ-цепей, содержатся в другой паре хромосом. Возможно, что гены γ-цепей находятся рядом с β- и δ-генами. Гены-регуляторы, по-видимому, занимают смежные со структурными генами цистроны. В первой половине фетальной жизни у человека активны, главным образом, локусы α-, γ- и ε-цепей (последний лишь кратковременно в раннем периоде эмбриональной жизни). После рождения одновременно с «выключением» локуса γ-цепей активизируются локусы ρ- и δ-цепей. В результате такого «переключения» происходит замена фетального гемоглобина (HbF) гемоглобином взрослого (HbA) с малой фракцией HbA2. Синтез гемоглобиновых цепей представляет собой частный пример белкового синтеза в клетке. Генетическая информация, определяющая последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях, закодирована в ДНК с помощью составляющих гены оснований. Заключенная в ДНК информация в процессе транскрипции передается из ядра в цитоплазму с помощью посредника – информационной РНК (иРНК). Последняя диффундирует в цитоплазму и действует как матрица для синтеза белка, происходящего в рибосомах. Аминокислоты, из которых образуется полипептидная цепь, транспортируются к рибосомам с помощью транспортной РНК (тРНК), причем большинство аминокислот имеет различные виды тРНК.
Гемовая часть молекулы гемоглобина синтезируется отдельно с помощью серии регулируемых энзиматических ступеней. На первом этапе биосинтеза порфиринов в результате соединения глицина с производным янтарной кислоты (янтарная кислота связывается с коэнзимом А с образованием активной формы сукцинил-КоА) синтезируется δ-аминолевулиновая кислота с помощью фермента синтетазы δ-аминолевулиновой кислоты (в этом синтезе участвуют кофермент витамина В6-пиридоксальфосфат.). На следующем этапе из двух молекул δ-аминолевулиновой кислоты благодаря ферменту дегидразы δ-аминолевулиновой кислоты образуется вначале уропорфиноген (III изомер), затем копропорфиноген при участии фермента декарбоксилазы уропорфиногена. Из копропорфиногена под влиянием декарбоксилазы копропорфиногена синтезируется протопорфирин, который соединяясь с железом, образует гем. Соединение протопорфина с железом осуществляет фермент гемсинтетаза.
Железо гемоглобина составляет примерно 60% всего содержащегося в организме железа (3-4 г у здорового взрослого человека). Транспортировка железа в костный мозг происходит в комплексе с трансферином – специфическим белком, содержащимся в -глобулиновой фракции плазмы крови. Трансферин имеет сродство к эритроидным элементам костного мозга, так как при экспозиции меченого трансферина с различными клетками он обнаруживается только в связи с предшественниками эритроцитов (в полихроматофильных и ортохромных нормобластах, ретикулоцитах) и не выявляется в мембране лейкоцитов, тромбоцитов и зрелых эритроцитов. Железо поступает в митохондрии, где связывается с протопорфирином в присутствии гемсистетазы. Клетки, в которых содержащиеся в митохондриях железо имеют вид гранул, называют сидеробластами, обычно они составляют 20-50% всех эритроидных элементов костного мозга. При дефиците железа сидеробласты в первую очередь исчезают из костного мозга, что считают одним из ранних признаков недостаточности железа.
Важнейшей и уникальной особенностью обмена железа является реутилизация – многократное повторное использование этого элемента в процессах имеющих циклический характер. Около 40% освободившегося при разрушении гемоглобина железа появляется в новых эритроцитах в течении 12-14 дней. Остальная его часть поступает в ферритин и гемосидерин (депо железа в печени, селезенке, слизистой кишечника, костном мозге) и включается повторно в обмен более медленно (у здорового человека около половины этого железа остается в запасе на протяжении 140 дней). Каждые сутки для обеспечения эритропоэза из плазмы крови в костный мозг поступает около 25 мг железа.